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天才与巨匠:“多重世界”之父的失意传奇

2015-08-02  qzf888


就像“文人相轻”的玩笑,有些数学家甚至认为,仅仅把艾佛莱特看作一个物理天才就是对他的贬低。


  • 王飞跃(中科院自动化所)


故事还要从7年前的一个清晨,我读到这样一则消息说起:


物理学家约翰·A·惠勒去世,享年96岁

“显赫的物理学泰斗约翰·阿其贝尔德·惠勒死于肺炎,享年96岁。作为‘黑洞’和‘虫洞’等术语的发明人,惠勒使广义相对论的研究大众化,还指导了一批著名的研究生,其中有基普·索恩(Kip Thorne)和理查德·费曼(Richard Feynman),其他工作还包括与尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)合作建立了核裂变的液滴模型。麻省理工学院的宇宙学家迈克斯·泰哥马克(Max Tegmark)在谈及惠勒博士时表示,‘对我而言,他是最后一位匠人,在世的、唯一的一位物理学上的超级英雄。’”


尽管物理学不是我的专业领域,但我对惠勒是当代物理学界最后的一位“巨人”却深有同感,是不是“唯一的”超级英雄就不清楚了。还有,惠勒曾经说过的一句话,给我留下了非常深刻的印象:“大学里为什么要有学生?那是因为老师有不懂的东西,需要学生来帮助解答。”


惠勒的确有资格说这句话,因为他的许多学生确实大名鼎鼎。上面那则消息中提到的两位学生,他们的名气甚至超过了惠勒本人。索恩是斯蒂芬·霍金的挚友,其主要贡献在引力物理和天体物理学领域,并且因担任科幻电影《星际穿越》的科学顾问和制片人而名声大噪;费曼则是诺贝尔物理学奖得主,他因撰写了一系列大众科学作品而成为美国家喻户晓的人物,甚至被誉为爱因斯坦之后最睿智的理论物理学家。


更有趣的是,索恩曾在加州理工学院(California Institute of Technology ,Caltech)担任“理论物理费曼讲席教授(Feynman Professor of Theoretical Physics)”,而这一职位正是用理查德·费曼的名字来命名的。不难看出,惠勒这两位弟子在理论物理学领域有着极高的成就和地位。


然而让我稍感遗憾的是,报道中在对惠勒“杰出学生”的举例中,尽管出现了“多重世界”的杰出研究者迈克斯·泰哥马克,但对更具传奇色彩的“多重世界”之父休·艾佛莱特(Hugh Everett III)却丝毫没有提及,也没有谈论惠勒与“多重世界”或“平行世界”量子理论的关系。


事实上,不论从专业研究还是私人感情的角度来讲,惠勒与艾佛莱特的关系,一定程度上折射出了惠勒的处世哲学和为人准则,并且留下了一段耐人寻味的师生故事。

“嘿,我这想法怎么样?”

1954年秋季学期,艾佛莱特从普林斯顿的数学系转到物理系,兴趣也从博弈论转入量子力学。他最初的导师是弗兰克·休梅克(Frank Shoemaker)。后来有人给艾佛莱特出主意,说要想早点毕业,最好把导师换成约翰·惠勒。


惠勒曾做过量子力学大师尼尔斯·玻尔的博士后,后来与玻尔合作研究核裂变,并成为美国“曼哈顿工程”原子弹研制计划的主要科学家之一。根据艾佛莱特后来的回忆,差不多是在1954年底,他带着自已关于量子力学的想法找到了惠勒。


见面后,艾佛莱特就一股脑把自己的想法告诉了惠勒,然后问道:“嘿,我这想法怎么样,能做下去吗?”


就这样,艾佛莱特顺利成为了惠勒的研究生。最初,他的博士论文题目是《量子力学的相关解释》。1955年夏天,艾佛莱特将他关于量子力学的想法总结成文,由秘书南茜·戈尔(Nancy Gore)帮他打字录入成137页的初稿,即所谓的“长稿”。一年后,南茜成为艾佛莱特夫人。


在不到一年的时间里,艾佛莱特先后向惠勒提交了三篇“短文”。第二篇文章《波动力学中的概率论》有9页纸,艾佛莱特在这篇文章中提出了“艾佛莱特主义(Everettism)”的最初表述:“测量时观察者的分裂”,就像“生命之树”的分枝过程那样。


与此同时,艾佛莱特意识到他必须澄清这一“美丽物理”的哲学含义,而惠勒对此的评语却是:“分裂?需要更好的词语”。显然,惠勒对艾佛莱特的论文有不同看法。


接下来,艾佛莱特又进一步把他的概念形象比喻为“分裂一个具有良好记忆的智能变形虫”的过程。这一次,惠勒的评语是:“在我看来,这个比喻很可能在微妙之处误导读者,建议省略”。


1955年9月21日,惠勒给艾佛莱特写了一条笔记,认为前两篇文章都是重要的工作,第一篇已经可以送出去发表。但他对第二篇的看法是:“坦诚说,没有信心把现在的版本拿给玻尔看。”


艾佛莱特的文章与玻尔的理论不同,尽管这可能使惠勒感到有些为难,但他的疑虑多半还是因为文章中的哲学含义在作怪,他认为文章“可能导致很多未经专门训练的读者产生神秘的误读”。回头看来,艾佛莱特的理论在当时的确是太超前了。其实,就在今天它也够“骇世听闻”的。


艾佛莱特原以为,惠勒打算安排他在1956年春进行论文答辩,可当时的艾佛莱特害怕被征入伍,希望拖延一些时间。答辩确实延后了,但背后的原因,更可能是惠勒离开普林斯顿到莱顿大学短期就任洛伦兹(Lorentz)讲座教授的缘故(1956年1月至9月)。


多半是缘于惠勒的推荐,1956年4月,艾佛莱特离开学校,加入美国国防部刚刚组建的“武器系统评估小组”的核心科技团队,从而开始了他充满神秘色彩的传奇生涯。


当时,为了避开对政府雇员的工资限制,从而可以高薪聘请杰出的科技人才,WSEG表面归属于民间的研究组织“国防分析研究所(Institute for Defense Analyses)”。

“骇世听闻”般的原创

直到1957年3月1日,艾佛莱特终于提交了他只有36页纸的博士论文,题为《关于量子力学的基础》。在论文的脚注中,艾佛莱特写道:“我希望修改过的文字能够避免所有的误解或模糊不清的地方,但这恐怕也只能是一个奢望”。


后来,物理学家布莱斯·德维特(Bryce DeWitt)在一篇文章中追述了惠勒与艾佛莱特修改论文的过程。两人坐下来,惠勒“准确地”告诉艾佛莱特应当删改1956年“长稿”中的哪些内容,从而形成了最后的“短稿”。对这一改稿过程,德维特还说了一句意味深长地话:“形形色色的结论都可以由此得出”。显然,有些结论可能与学术无关。


惠勒在自传中回忆说,他当时已感觉到艾佛莱特1956年论文初稿的深度,但“发现草稿几乎不可理解。我知道,如果我在面对它时都有这么多麻烦,那么给委员会其他教授带来的麻烦就会更多。他们不仅会发现草稿无法理解,可能还认为它根本没有价值。”


惠勒在后文中继续写道:“为此,休和我在办公室中工作了很长时间来修改草稿。在此之后,我决定给这篇毕业论文提供一个配套文案,这就是我为他的论文发表所写的那篇说明。我的真实目的,是为了让委员会的其他成员更好地理解他的毕业论文。”


惠勒和答辩委员会成员之一巴格曼(V. Bargmann)撰写了对艾佛莱特博士论文的评价:“艾佛莱特的问题表述及其解决都几乎完全是独创的”,并认为论文的结果“对我们理解量子理论基础可能是一个重大的贡献”。


“候选人很好地通过了一次考试。他涉及了一个十分困难的课题,并坚定、清晰、逻辑地捍卫了他的结论。他表现出引人注目的数学能力、逻辑分析能力的敏锐性,以及完好表达自己的极高本能。”答辩评语中如此写道。


艾佛莱特顺利通过了博士论文答辩,他关于量子力学“骇世听闻”般的原创而重要的工作,并没有在答辩过程中引起争论甚至“风波”,这使后来许多人感到不解。或许这是因为答辩委员会并不真正懂得艾佛莱特思想之实际意义的缘故,而惠勒的权威和艾佛莱特当时的特殊身份可能也起到了一定作用。不管怎样,艾佛莱特的理论接下来并没有引起物理学界的关注,这从另一个侧面说明,当时的答辩委员会并没有把他的博士论文看得太重。


彼时,惠勒对艾佛莱特理论的支持,或许还多少与其“骇世听闻”有关。这可以从惠勒后来支持他的另一位学生——雅各布·贝肯斯坦(Jacob Bekenstein)的“疯狂”理论时所给出的理由得到佐证。


贝肯斯坦认为,黑洞的视界面积正比于黑洞的熵,这与霍金等人关于“黑洞无毛”的观点相悖,而当时几乎所有的黑洞物理学家都站在霍金一边,只有惠勒支持贝肯斯坦。为什么?惠勒的回答是:“这个想法足够疯狂了,所以它很有可能是对的。”好在最后事实证明,贝肯斯坦的确是对的。

出走物理学界

艾佛莱特完成答辩、论文正式发表之后,什么都没有发生。尽管惠勒后来曾一度把艾佛莱特与牛顿、麦克斯韦尔和爱因斯坦相提并论,上世纪70年代著名的物理学家和科学史学家马克斯·詹莫(Max Jammer)也称其为“本世纪保存最好的秘密之一”,但当时的科学界还是选择了忽略艾佛莱特的工作。这一“不获认可的沉默(silence of non-recognition)”使艾佛莱特感到伤害很大,或许也是他答辩之后就远离物理研究的一个重要原因。


1958年春,惠勒在五角大楼与艾佛莱特会面,同国防部的乔治·皮尤(George Pugh)共进午餐,才得知艾佛莱特已把精力转向计算机,并且差不多为五角大楼所有的计算机编写了程序。


1959年1月,惠勒写信给艾佛莱特,介绍迈克尔·梅(Michael May)有关量子力学测量理论的工作,并邀请他于当年5月到普林斯顿做学术报告。3月,在惠勒的一再要求下,艾佛莱特与夫人一起远赴丹麦哥本哈根,以期与玻尔见面,因为惠勒很想知道他的导师对他这位研究生所提出理论的看法。


艾佛莱特在哥本哈根待了6周,直到4月21日才离开。玻尔确实与艾佛莱特见了面,但这位已经75岁的大师不再愿意正经讨论“任何新提出的(奇怪的)理论”,他似乎并没有给艾佛莱特一个表述自己的机会。


艾佛莱特后来对此的记忆也令人沮丧,根本不愿再提起。私下里,他的夫人对朋友说,玻尔拒绝与艾佛莱特谈起他关于量子力学的“多重世界”解释,这使艾佛莱特对物理的兴趣再遭重挫。


在物理学界遭受的损失由数学来弥补!万般无奈的期待中,就像科幻小说里常写的那样,艾佛莱特在哥本哈根一间旅馆的3页信纸上,写下了关于把拉格朗日乘子用于优化问题的设想。


5年后,这一思想成为创办著名的Lambda公司的核心方法和基础,艾佛莱特和他的同事由此发了大财,走上了科学家与企业家并举的道路。艾佛莱特也因此成为了公认的应用数学家,以各种艾佛莱特算法著称,其名字甚至出现在美国中学的数学教科书中,而且居然与“拉格朗日、牛顿、斯特林、高斯和拉普拉斯”等数学大家并论。就像“文人相轻”的玩笑,有些数学家甚至认为,仅仅把艾佛莱特看作一个物理天才就是对他的贬低。


当然,量子力学还不时会回到艾佛莱特的生活中。一次,艾佛莱特面试来Lambda公司申请工作的年轻物理博士唐纳德·雷斯勒(Donald Reisler),午餐之后,艾佛莱特十分羞怯地问起雷斯勒有没有读过他关于“相对状态”的论文。


雷斯勒顿了片刻,吃惊道:“啊,我的上帝!你就是那个艾佛莱特?写过那篇神经病论文的那个疯子?我读研究生时曾读过,咯咯笑完之后,毫不犹豫地拒绝了这种想法!然后,继续做我该做的正经事。”难怪后人对艾佛莱特能够顺利通过博士论文答辩感到大惑不解。


无奈的反复

有趣的是,惠勒和德维特后来在对艾佛莱特理论的态度上几乎是对换了角色。最初,德维特对艾佛莱特的理论有许多反对意见,而惠勒出面为艾佛莱特辩护。但自1970年起,德维特不断写文章介绍艾佛莱特的理论,并将之称为“多重世界解释(Many Worlds Interpretation,MWI)”。


在德维特的帮助下,艾佛莱特博士论文的“长稿”终于在1973年秋得以发表,促使物理学家们重新想起艾佛莱特的存在。“不幸”的是,这也引起了科幻界的关注,有人更是声称,他们早在艾佛莱特之前就有了同样的想法,而且科幻小说里anti-Everettian远多于 pre- 或 pro-Everettian。(注:意思是反艾佛莱特者远多于支持者。)


1977年春,惠勒已转到德维特所在的德州大学奥斯汀分校任教,两人共同组织了一场关于人的意识和计算机意识问题的研讨会,并且邀请了艾佛莱特参加。


艾佛莱特接受了邀请,携夫人、女儿和儿子一家四口来到奥斯汀,这是艾佛莱特第一次也是唯一的一次与德维特见面。艾佛莱特在德州做了4个半小时的报告,其中一半是讨论乔治·皮尤的著作《人类价值的生物学起源》,因为该著作与惠勒在德州所关注的问题相关:人的意识是否在确定物理学定理的过程中起到了关键性的作用?在这个问题上,艾佛莱特不同意惠勒的观点,惠勒对艾佛莱特的看法也含糊其辞。


几周以后,在惠勒的另一位学生迈斯纳(Misner)的结婚纪念会上,惠勒告诉艾佛莱特,他在绝大部分时间里相信艾佛莱特的量子力学解释,但“每月保留一个星期二来怀疑它”。


事实上,惠勒的怀疑远比他所说的严重。艾佛莱特的理论一直被称为“艾佛莱特-and(和)-惠勒”理论。几个月后,惠勒在给同事的一封信中声明,要与艾佛莱特的理论脱钩,要求把这个理论称为“艾佛莱特-and-no-more(不再)-惠勒”理论。


惠勒明确表示这一理论完全是艾佛莱特想出来的,并进一步说明:“尽管我知道,我今天对它作出认可会有困难,但仍认为这是近几十年来对量子力学所作出的最重要的成就之一,同时觉得荣誉应归于荣誉所属之处。”


后来,惠勒还曾试图改变艾佛莱特的职业生涯。他向加州大学圣巴巴拉分校的理论物理研究所(ITP)提出建立一个工作小组,专注于测量的量子力学理论的研究。1979年7月,惠勒写信给ITP的主任道格拉斯·斯卡拉皮诺(Douglas Scalapino),说艾佛莱特已经告诉他同意重返物理学研究, 可赴ITP工作一段时间。


但结果还是什么都没有发生。对艾佛莱特而言,这件事可能是在他的旧伤口上又撒了一把新盐。自此之后,艾佛莱特极度避免再谈起他的物理学过去,直到1982年7月19日去世,还不到52岁。学术思想不被认可的苦闷,商业成功之后过度的烟酒宴会生活,都是导致他早逝的原因。


艾佛莱特去世后,其传奇一生不时被人忆起,而他在理论物理学领域的失意尤为令人唏嘘。也许正如美国专栏作家约瑟夫·乔治·考德威尔(Joseph George Caldwell)所言:有人曾经指出,休·艾佛莱特应该被宣布为“国家资源(national resource)”,并且给予他所需要的全部时间和资源,让他去发展新的理论。


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